Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Capítulo 7

Pruebas y Resultados

7.1 Transmisor de AM #1.

El primer transmisor para el desarrollo de esta tesis ocupa como modulador al circuito integrado MC1496 de Motorola. De acuerdo con la hoja de especificaciones, dicho integrado es utilizado en aplicaciones donde el voltaje de salida es un producto de los cambios de una portadora provocados por una señal de información. Sus aplicaciones incluyen modulación en amplitud, modulación con portadora suprimida, detección síncrona, detección de FM y detección de fase, principalmente.

El circuito utilizado a para que dicho integrado funciones como un modulador de

AM con portadora completa se presenta en la figura 7.1. Donde, Vc es la señal portadora y Vm la modulante. El potenciómetro de 50kΩ controla el nivel de la señal portadora en relación al nivel de la modulante y el voltaje de alimentación VEE en el pin 14. El circuito se alimenta con +12 Volts de DC en los pines 6 y 12 a través de dos resistencias de 3.9kΩ y con -8 Volts de DC en el pin 14.

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Figura 7.1 - Modulador de amplitud MC1496.

El circuito tiene dos salidas: +Vo y -Vo. Ambas salidas deben restarse mediante

un amplificador diferencial para obtener la señal de AM. La figura 7.2 muestra el circuito empleado con esta finalidad, donde toda R tiene un valor de 10kΩ.

Figura 7.2 - Amplificador diferencial a la salida del MC1496.

Donde la salida del circuito se obtiene de la ecuación: Vout = (+Vo) - (-Vo) Para probar el funcionamiento de este modulador se seleccionó como

frecuencia de la portadora 1 MHz, y para la señal modulante una señal senoidal de 3 kHz. Las amplitudes pico a pico de las señales es de 6 Volts y 1.95 para la modulante y la portadora, respectivamente.

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En la gráfica de la figura 7.3, se muestra, en primer lugar la señal modulante y

luego la señal de AM en el dominio del tiempo. Al observar la gráfica se observa un índice de modulación bajo. El índice de modulación es de aproximadamente 35%. Esta medición se puede obtener a través de los patrones trapezoidales de la figura 7.4. En dicha figura, tanto la escala vertical como horizontal tienen el mismo valor.

Figura 7.3 - Señal de AM con un índice de modulación del 35%

en el dominio del tiempo con el MC1496.

Figura 7.4 - Patrones trapezoidales de un índice de modulación de 35%

utilizando el MC1496. A partir de los patrones trapezoidales, el índice de modulación de una señal de

AM expresado como un porcentaje puede calcularse mediante la siguiente fórmula: mp = Vmax - Vmin x 100% Vmax + Vmin

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En el patrón trapezoidal de la figura 7.4 tanto la escala de Vmax (lado más

grande del patrón) como de Vmin (lado más pequeño del patrón) tienen la misma escala, por lo tanto el índice de modulación se puede obtener en base al número de cuadros. Así: mp = 4.4 cuadros - 2.1 cuadros x 100% = 35% 4.4 cuadros + 2.1 cuadros

Para observar el comportamiento de una señal de AM en el dominio de la

frecuencia se utiliza un analizador de espectros. El laboratorio cuenta con un analizador de espectros con un rango de frecuencias de 9kHz a 1.5GHz. La figura 7.5 muestra el comportamiento de esta señal de AM en el domino de la frecuencia.

Figura 7.5 - Señal de AM de índice de modulación del 35%

en el dominio de la frecuencia con el MC1496. Como se mencionó anteriormente, el índice de modulación se puede controlar

mediante el potenciómetro de 50 kΩ que se observa en la figura 7.1. Al ajustar éste se puede calibrar el índice de modulación a los niveles deseados.

Las figuras 7.6, 7.7 y 7.8 muestran la señal de AM en el domino del tiempo, los

patrones trapezoidales y la señal de AM en el domino del tiempo para un índice de modulación del 53%. Las condiciones son las mismas que en el caso anterior y también lo serán en las pruebas siguientes.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.6 - Señal de AM con un índice de modulación del 53%

en el dominio del tiempo con el MC1496.

Figura 7.7 - Patrones trapezoidales de un índice de modulación de 53%

utilizando el MC1496.

El porcentaje de modulación del patrón trapezoidal de la figura 7.7 se obtiene a

partir del siguiente cálculo: mp = 5.9 cuadros - 1.8 cuadros x 100% = 53%

5.9 cuadros + 1.8 cuadros

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.8 - Señal de AM de índice de modulación del 53%

en el dominio de la frecuencia con el MC1496.

Al comparar los espectros de las imágenes 7.5 y 7.8, podemos observar que la forma de las bandas laterales tienen menos distorsión cuando se eleva el índice de modulación. De igual forma, cuando la señal de información o moduladora es audio, la calidad de la señal demodulada mejora conforme se incrementa el índice de modulación.

A continuación se observa en la figura 7.9 la señal de AM cuando el índice de

modulación es igual a 100%, es decir, el caso ideal. Una observación importante es como la señal alcanza un voltaje mínimo de 0. En este caso la calidad de una señal de audio es mejor que para los casos anteriores.

Figura 7.9 - Señal de AM con un índice de modulación del 100%

en el dominio del tiempo con el MC1496.

En la figura 7.10 se muestran los patrones trapezoidales para la señal de AM de índice de modulación de 100%. Es importante hacer notar que el patrón trapezoidal

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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se vuelve prácticamente un triángulo.

Figura 7.10 - Patrones trapezoidales de un índice de modulación de 100%

utilizando el MC1496.

Para demostrar que el porcentaje de modulación de la figura 7.10 tiene un valor del 100% se ocupa la misma fórmula que para los casos anteriores: mp = 2.9 cuadros - 0 cuadros x 100% = 100%

2.9 cuadros + 0 cuadros En el espectro de frecuencias de la figura 7.11 se muestra la señal de AM con

índice de modulación del 100%. Las bandas laterales se notan más definidas que en los casos anteriores.

Figura 7.11 - Señal de AM de índice de modulación del 100%

en el dominio de la frecuencia con el MC1496.

Finalmente, las figura 7.12, 7.13 y 7.14 muestran el comportamiento para el caso indeseado en modulación en amplitud: índice de modulación mayor al 100%. En

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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este caso la información sufre distorsión, tal como se observa en la figura 7.12, donde la envolvente de la señal modulada ya no se parece a la señal de información original.

Figura 7.12 - Señal de AM con un índice de modulación mayor al 100%

en el dominio del tiempo con el MC1496.

De igual forma el patrón trapezoidal de la señal deja de ser un triángulo para convertirse en dos triángulos opuestos (figura 7.13).

Figura 7.13 - Patrones trapezoidales de un índice de modulación mayor al 100%

utilizando el MC1496.

Por su parte, en la figura 7.14 se observa la aparición de otras dos bandas laterales además de las que ya existían anteriormente. Esta nuevas bandas laterales son conocidas como productos cruzados y son completamente indeseados pues aumentan el ancho de banda de la señal y causan interferencia en los canales adyacentes, lo cual en el caso de la radio comercial es motivo de multas hacia las estaciones de radio.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.14 - Señal de AM de índice de modulación mayor al 100%

en el dominio de la frecuencia con el MC1496. Las pruebas mostradas hasta este momento solamente abarcan el

funcionamiento del MC1496, y las señales modulante y portadora son obtenidas de un generador de funciones. Para complementar el circuito la señal de la modulante se obtendrá a partir de un micrófono y la señal de la portadora provendrá de un oscilador Colpitts diseñado con una frecuencia de oscilación de 1MHz (Figura 7.15).

Figura 7.15 - Oscilador Colpitts.

En este oscilador el transistor utilizado es un MPSH10, el cual es un transistor

del tipo NPN para RF. En realidad al tratarse de un oscilador de una frecuencia baja dentro del rango de RF podría ocuparse un 2N2222 o un 2N3904, pero el MPSH10

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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es más estable que los dos transistores anteriores. La frecuencia de oscilación depende de L, C1 y C2, y se obtiene mediante la siguiente fórmula: fr = 1 x 2π donde, fr = frecuencia de resonancia del oscilador en hertz L = valor de la inductancia en henrys Cequ = C1C2 x

C1 + C2 Para facilitar los cálculos, C1 y C2 pueden tomar el mismo valor C, así

Cequ = C 2x

Así, se fija el valor de C a 1nF y se procede a calcular el valor de L:

L = 1 x= 50 µH (2π fr)2 Cequ Debido a que no es posible encontrar un inductor de 50 µH en los valores

comerciales, L toma el valor de 47 µH. Por lo tanto, fr = 1.038 MHz. Por otra parte, si el valor de L o de C1 y C2 se pudieran hacer variar, la frecuencia de oscilación podría ajustarse al valor deseado y transmitir exactamente a 1 MHz o en otra frecuencia dentro de AM comercial. Lamentablemente, no fue posible encontrar capacitores o inductores variables de estos valores, por lo que la frecuencia de este oscilador es fija.

En la figura 7.16, se puede observar la etapa de amplificación de audio para

este circuito. En primer lugar se observa el micrófono electret conecta a la fuente de voltaje a través de un resistor de 56kΩ y acoplado a la entrada de un amplificador no inversor mediante un capacitor de 0.1 µF. La resistencia de 56kΩ permite la polarización del amplificador interno del micrófono; usualmente el valor de esta resistencia es de 1kΩ para voltajes de 1 a 3 volts, pero para este caso y dado que el nivel de amplificación deseado es alto, el valor seleccionado fue de 56kΩ luego de varias pruebas para encontrar el mejor desempeño. Por otra parte, el capacitor de acoplamiento debe tener un valor tal que su reactancia capacitiva tenga una reactancia capacitiva muy pequeña a la frecuencia de 3KHz (frecuencia de la voz), típicamente 0.1 a 1 µF.

La ganancia del amplificador no inversor que se encuentra después del

micrófono se obtiene de: AV = 1 + Rf

R1 donde, Rf = 220kΩ y R1 = 1kΩ, para una ganancia de 220.

Por último, la etapa de audio tiene un amplificador buffer o de ganancia unitaria a la salida del amplificador no inversor. La función del amplificador buffer es aislar

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diferentes partes de un circuito para evitar que interactúen indebidamente. En este caso separa la etapa amplificadora de la entrada del MC1496. A la salida del amplificador buffer se ha colocado un potenciómetro de 20kΩ para variar el nivel de voltaje del amplificador de audio (volumen) para poder ajustar el índice de modulación.

Figura 7.16 - Etapa de amplificación de audio.

Finalmente, la salida del MC1496 tiene un nivel de voltaje muy pequeño, por lo

que es necesario amplificarlo. Así al amplificador diferencial que va a la salida del MC1496 se le da una ganancia grande para poder transmitir la información y se coloca un amplificador buffer para acoplarlo con la antena. Así, el amplificador diferencial y buffer a la salida del transmisor queda:

Figura 7.17 - Etapa de salida del MC1496.

La ganancia salida del amplificador diferencial es:

Vout = (1 + Rf) ( R1 ) V2 - Rf V1 R2 R1+R3 R2 Si Rf = R1 = Ra, y R2 = R3 = Rb. Entonces:

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Vout ~ Ra (V2 - V1) Rb Por lo tanto, si Rb = 10 kΩ, para obtener una ganancia de 50, Ra debe valer 500

kΩ. Al no conseguir este valor de resistencia, Ra = 560 kΩ, y la ganancia es de 560. El diagrama completo del transmisor de AM #1 se muestra en la figura 7.18.

Figura 7.18 - Transmisor de AM #1.

Una vez concluido el diseño y análisis de este circuito, se muestran a continuación las gráficas de transmisión obtenidas en laboratorio mediante el analizador de espectros. La figura 7.19 muestra el pico de transmisión de este transmisor dentro del rango de AM comercial (530 kHz a 1800 kHz). De acuerdo con esta gráfica del analizador de espectros, el pico de transmisión se encuentra en 1.11 MHz.

En la figura 7.19 se observa un pico de transmisión muy pequeño. En esta medición se colocaron las antenas del transmisor y del analizador de espectros a 60 cm de separación. Para conocer la verdadera potencia de transmisión del transmisor en el analizador de espectros debe conectarse directamente a la salida del transmisor sin que esté conectada la antena.

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Figura 7.19 - Pico de transmisión del transmisor de AM #1 dentro del rango de 530 kHz a 1.8 MHz.

Figura 7.20 - Potencia de transmisión del transmisor de AM #1.

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La figura 7.20 muestra la potencia de transmisión real. Así, la potencia real de este transmisor es de -13.1 dBm en vez de los -71.16 dBm de la medición anterior. Por lo que la señal de AM pierde 58.06 dBm. La potencia de transmisión es 49 µW, la potencia recibida por el analizador de espectros a 60 cm del transmisor es de76.5 pW. Es decir, se pierde casi toda la potencia en el medio de transmisión.

Mediante la gráfica 7.20 puede obtenerse un valor aproximado de la relación señal a ruido. Dicha relación es muy importante para evaluar el funcionamiento de un sistema de comunicaciones. La relación señal a ruido se calcula de la siguiente forma: S = potencia de la señal N potencia del ruido

Frecuentemente, la relación señal a ruido se expresa en decibeles:

S (dB) = 20 log potencia de la señal N potencia del ruido

Para el análisis de éste parámetro, la potencia de la señal es de -13.1 dBm, mientras que el valor de la potencia del ruido se toma como el promedio de las frecuencias que no están dentro del pico de transmisión. Es decir, en la figura 7.20 cada división horizontal vale aproximadamente 127 kHz, por lo que el pico de transmisión va de 1.038 MHz a 1.19 MHz y todo lo que está afuera de este pico es ruido. La escala vertical de la figura 7.20 equivale a -10 dBm por división, por lo tanto el valor promedio del ruido es de -55 dBm. Dado que estas cantidades ya están en dBm, en vez de dividirse se restan para obtener la relación señal a ruido: S/N = (-13.1 dBm) - (-65 dBm) = 51.9 dBm

La relación de dB con dBm es: dB = dBm -30

Por lo tanto, S/N = 21.9 dB

Este circuito tiene muy poco alcance. A una distancia de 35 cm. la transmisión aún se oye bien, pasando de esta distancia el sonido empieza a disminuir su calidad hasta que finalmente la señal se pierde a un metro de distancia. Esto se debe a que AM necesita mucha potencia para lograr potencia para transmitirse. Basta decir que las estaciones de radio de AM trabajan con niveles de potencia de cientos de kilowatts. Sin embargo, no se puede agregar un gran número de amplificadores de potencia, pues después de amplificar hasta un cierto valor, la amplitud de la señal ya no permite que se siga amplificando al saturar la entrada del amplificador y la información pierde linealidad.

El consumo de potencia de este transmisor en función del voltaje de

alimentación (12.6 V) y el consumo de corriente medido con multímetro (26.51mA), es de 334 mW.

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Un aspecto fundamental del análisis de transmisores es el ancho de banda. En AM el ancho de banda de la señal modulada depende del ancho de banda de la información o señal modulante. Para este circuito la señal modulante es la voz, la cual tiene un ancho de banda aproximado de 300 Hz a 3.4 kHz. Con el propósito de simplificar este análisis se considera que el ancho de banda de voz es de 3.5 kHz. Así: BWAM = 2BWm = 7kHz donde, BWAM = ancho de banda de AM BWm = ancho de banda de la información

Para comprobar este valor, la figura 7.21 muestra el ancho de banda de

transmisión. El procedimiento para la obtención de esta gráfica consiste en seleccionar con el marcador (“marker“) del analizador de espectros el pico de la señal portadora. Una vez realizado esto, en el menú “Span” se selecciona la opción “Span zoom” y entonces se ajusta el ancho de banda que se desea visualizar. Mediante la opción del marcador delta (“Delta marker”) es posible tener en pantalla dos marcadores y en la parte superior derecha junto al símbolo ∆ aparece la diferencia que hay entre los dos marcadores. Así, se puede observar que el ancho de banda del transmisor es de 7.79 kHz.

Figura 7.21 - Ancho de banda del transmisor de AM #1.

En la figura 7.22 se muestra la fotografía del circuito armado. La parte

encerrada en color amarillo corresponde a la etapa de audio. Al lado izquierdo de esta sección se pueden observar un par de reguladores necesario para alimentar el circuito con +12 y -8, cuando se recibe un voltaje de alimentación de 15 volts. La sección que corresponde al oscilador Colpitts se encuentra en color rojo. El modulador MC 1496 y toda la circuitería externa que requiere se encuentran dentro del cuadro verde.

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Figura 7.22 - Circuito impreso del transmisor de AM #1.

7.2 Transmisor de AM #2.

El circuito de la figura 7.23 muestra un modulador de colector y base simultáneos. En dicho modulador Q1 realiza la modulación en colector. Por características propias un modulador de colector no alcanza el 100% de modulación. Por eso se dice que en el colector de Q1 la señal de salida está parcialmente modulada. Por su parte Q2 y Q3 se encargan de volver a modular la señal de tal forma que la señal de AM alcanza el 100%.

Figura 7.23 Modulador de colector y base simultáneos.

El oscilador de este circuito es el mismo que el del transmisor anterior (figura

7.15), y la señal modulante proviene de un toca cintas o un reproductor de CD‘s. El transformador T1 acopla la señal parcialmente modulada proveniente de Q1 hacia las bases de Q2 y Q3. T1 es un transformador 1:2 donde el primario tiene 65 vueltas y el secundario tiene 65 vueltas en la primera bobina que la compone y 65 más en la segunda. Por cada 65 vueltas, las bobinas tienen una inductancia de 150 µH. Así mientras C2 ve una inductancia de 300 µH, los capacitores C3 y C4 ven una

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inductancia de 150 µH cada una. Por lo tanto el valor de los capacitores C3 y C4 son del doble de C2 y deben formar un circuito tanque sintonizado a la frecuencia del oscilador junto con la bobina que les corresponde.

Las resistencia de las bases de Q2 y Q3 se encarga de generar la corriente de

base necesaria para el funcionamiento de los transistores. Q2 y Q3 se encargan de completar la modulación y deben ser transistores de potencia que tengan un ancho de banda superior a 1 MHz. La salida de estos transistores pasan a un circuito tanque formado por C5 y el primario de T2. El transformador T2 acopla la señal de salida a la antena. y al igual que T1 tiene 65 vueltas de un lado y 65+65 del otro.

En el caso de T3, este transformador sirve para acoplar la señal modulante al

modulador. En este caso no es tan importante la inductancia de las bobinas que componen al transformador, sino la resistencia que tengan. En el primario, T3 tiene una resistencia de 4 ohms y en el secundario tiene 4+4 ohms. Esto es con la finalidad de no recargar la fuente de audio y que el transformador funcione como una resistencia de carga (similar a una bocina). Para la fuente de alimentación Vcc, las inductancias de los transformadores se comportan como corto circuitos. Por lo tanto el voltaje de los colectores de Q1, Q2 y Q3, es igual a Vcc.

Los RFC son choques de radio frecuencia, y se trata de inductores que se

encargan de impedir que alguna señal de corriente alterna pueda llegar a la fuente y la dañe. Para Vcc, los RFC se comportan como cortocircuito, pero para las señales de RF se trata de resistencias muy grandes. Vcc es igual a 20 V, pero mientras más grande sea su valor mayor será el alcance del transmisor.

El diseño ahora consiste en dar a los capacitores C1, C2, C3 y C4, los valores

necesarios para sintonizar a la frecuencia del oscilador, los circuitos tanque que forman. Así, si los capacitores C3 y C4 ven una inductancia de 150 µH y la frecuencia del oscilador es de 1.038 MHz. Para simplificar calculos C3 = C4 = C:

C = 1 / (2πf)2L = 160 pF ~ 150 pF. Y, C2 = C / 2 = 75 pF. C es igual a C1, pues tienen conectados en paralelo el mismo valor de

inductancia. Los transistores utilizados son el BC547 para la modulación en colector y Tip31 para la modulación en base.

El índice de modulación es controlado por el nivel de volumen de la señal de

audio y el ajuste de T1 que cuenta con un tornillo de calibración para ajusta el valor de la inductancia. La figura 7.24 muestra una señal de información de 3 KHz en primer lugar y una señal de AM con un índice de modulación menor al 100%. La figura 7.25 muestra su respectivo patrón trapezoidal.

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Figura 7.24 - Señal de AM con un índice de modulación

del 66% en el dominio del tiempo.

Figura 7.25 - Patrón trapezoidal con un índice de modulación del 66%.

Al igual que en el circuito anterior, las escalas vertical y horizontal del

osciloscopio son iguales. Así, el índice de modulación en función del número de cuadros es: mp = 2 cuadros - 0.4 cuadros x 100% = 66% 2 cuadros + 0.4 cuadros

En la figura 7.26 se muestra la señal de AM cuando este modulador alcanza el

índice del 100%. De igual forma se muestra su patrón trapezoidal y la señal en el dominio del tiempo en las figuras 7.27 y 7.28 respectivamente.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.26 - Señal de AM con un índice de

modulación del 100% en el dominio del tiempo.

Figura 7.27 - Patrón trapezoidal de un índice de modulación del 100%.

El índice de modulación de la figura 7.27 se obtiene de:

mp = 2.5 cuadros - 0 cuadros x 100% = 100% 2.5 cuadros + 0 cuadros

La figura 7.29 muestra la señal transmitida con 60 cm de separación entre la antena del transmisor y la antena del analizador de espectros. El rango de frecuencias va de 530 kHz a 1800 kHz. Posteriormente en la figura 7.30 se muestra la potencia de transmisión tomada directamente de la antena.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.28 - Señal de AM con un índice de modulación del 100%

en el dominio de la frecuencia.

Figura 7.29 - Pico de transmisión del transmisor de AM #2

dentro del rango de 530 kHz a 1.8 MHz.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.30 - Potencia de transmisión del transmisor de AM #2.

Al hacer la comparación entre las figura 7.29 y 7.30, observamos que

nuevamente las pérdidas en el medio de transmisión son enormes (más de 50 dBm). La potencia de salida del transmisor es de -10.66 dBm o 86 µW. Sin embargo, sigue siendo el medio de transmisión el que degrada enormemente la señal y el analizador solo recibe -62 dBm de antena a antena.

De la misma forma que se estimó el valor de la relación señal a ruido en el caso

anterior, se realizó el cálculo para este circuito. La potencia máxima del pico de transmisión es de -10.66 dBm. Toda señal fuera del rango de 1.038 a 1.149 MHz se considera ruido. De este modo la potencia promedio del ruido es de -75 dBm aproximadamente, y la relación S/N queda: S/N = (-10.66 dBm) -(-75 dBm) = 64.34 dBm = 34.34 dB

Para el análisis del ancho de banda de este transmisor hay que tomar en

cuenta que, a diferencia del transmisor de AM #1, la entrada de audio no depende de un micrófono, sino de un conector al que se le puede introducir el sonido de un toca cintas o reproductor de CD‘s, por lo tanto, el rango de frecuencias que se pueden transmitir no es de 300 Hz a 3.4 KHz. Es sabido que el espectro audible para el oído humano va de 20 Hz a 20 kHz. Por lo tanto, el ancho de banda de la información es de 20 kHz. De este modo, el ancho de banda para este transmisor es de: BWAM = 2BWm = 40kHz

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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La figura 7.31 muestra el espectro del ancho de banda del transmisor de AM #2.

Figura 7.31 - Ancho de banda del transmisor de AM #2.

El máximo alcance de este transmisor es de 3 m., pero la señal se recibe muy

débil. En cambio, la mejor calidad posible se obtiene a una distancia máxima de 50 cm. del transmisor. Al alimentar el circuito con 25 V, el consumo de potencia es de 617 mW, pues demanda una corriente de 30.85 mA.

En la figura 7.32 se muestra dentro de un cuadro amarillo la etapa de

acoplamiento de entrada de audio del transmisor. En rojo se puede observar el oscilador a 1 MHz. El modulador es la sección encerrada en verde.

Figura 7.32 - Circuito impreso del transmisor de AM #2.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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7.3 Transmisor de FM #1.

Este circuito fue tomado de la revista “Electrónica Práctica”, es un transmisor de FM capaz de emitir en toda la banda de 88 a 108 MHz. En la figura 7.33 se observa el diagrama del circuito.

Figura 7.33 - Transmisor de FM #1.

La frecuencia básica de oscilación es generada por un el circuito que gira en

torno al transistor Q3. La elección de la frecuencia se determina mediante un trimmer de 10.5 a 60 pF, el cual varía la sintonización del circuito tanque L1-CV. C4 es una realimentación que completa un circuito oscilador del tipo Hartley. R6, R7 y R8 se encargan de la polarización del transistor. Mediante la resistencia R8 se puede disminuir el consumo del transmisor al aumentar ligeramente su valor, pero esto reduce el alcance del transmisor.

El modulador está formado por los transistores Q1 y Q2 que actúan como

amplificadores de baja frecuencia. Una vez amplificada la señal, ésta es aplicada a través del choque de CH2 a la unión de C3 y DV, produciendo la modulación. La función de este RFC es no permitir que la radiofrecuencia penetre en el modulador.

Una vez que el oscilador recibe la alimentación (Vcc = 9 V), genera una

frecuencia que depende del circuito tanque, frecuencia que también es afectada por los valores de C3, C4 y DV. Al mismo tiempo que el circuito varía la polarización del diodo varicap varía ligeramente su frecuencia, generando la señal a transmitir.

Para realizar el ajuste de la frecuencia es necesario ajustar el valor de CV1

empleando un desarmador de plástico. La bobina L1 tiene 5 espiras, con dos tomas

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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intermedias en la primera y segunda espira. El alambre utilizado tiene 0.7mm de diámetro y la bobina tiene un diámetro externo de 8mm. Este transmisor tiene una frecuencia de transmisión que se puede ajustar a cualquier frecuencia del rango de FM comercial.

Los valores de los componentes se listan a continuación: R1 = 1 MΩ R2 = 5.6 kΩ R3 =150 Ω R4 = 4.7 kΩ R5 = 680 kΩ R6 = 5.6 kΩ R7 = 2.2 kΩ R8 = 82 Ω CV = Trimmer de 10.5 a 60 pF C1 = 100 nF C2 = 10 µF C3 = 3.9 pF C4 = 10 pF Q1 = BC547 Q2 = BC547 Q3 = NTE311 DV = BB105 CH1 = VK200 CH2 = 4.7 µH En la figura 7.34 se observa la gráfica de transmisión de este circuito

seleccionada para esta medición en 103 MHz. Para obtener esta imagen se colocaron la antena transmisora y receptora con 60 cm. de separación. Nótese que la potencia es mucho mayor que en los casos de los transmisores de AM. Esto se debe a que en la etapa de potencia se ocupa un amplificador clase C, que tiene mucha ganancia pero poca linealidad. La linealidad no es importante en FM, lo importante es que la frecuencia de transmisión no se vea afectada por el proceso de amplificación.

En la figura 7.35 se muestra la potencia del transmisor tomada directamente del

lugar donde se encuentra la antena. La potencia de transmisión de este circuito es -4.036 dBm (304µW). Las pérdidas originadas por el medio de transmisión son de 25.654 dBm, por lo que al analizador sólo llegan de antena a antena 1µW.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.34 - Pico de transmisión del transmisor de FM #1 dentro del rango de 88 a 108 MHz.

Figura 7.35 - Potencia de transmisión del transmisor de FM #1.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Para la medición de la relación señal a ruido, se tomará como base la figura 7.35. La potencia de la señal es de -4 dBm, como ya se mencionó. La potencia promedio del ruido es aproximadamente de -73 dBm. La relación señal a ruido es: S/N = (-4 dBm) - (-73 dBm) = 69 dBm = 39 dB

La potencia de consumo de este transmisor es de aproximadamente 522 mW,

pues ocupa una batería de 9 V y consume una corriente de 58 mA. Tiene un alcance máximo de aproximadamente 25 m., dependiendo del lugar donde se ocupe, de la presencia de elementos metálicos y de la frecuencia que se elija para transmitir, pues si se escoge transmitir a la misma frecuencia que una estación de radio el alcance disminuye mucho.

En los transmisores de FM el ancho de banda no depende de la frecuencia de

la información, sino de la desviación máxima permitida por la ley. La desviación máxima establecida es para FM comercial es de +/- 75 kHz, por lo que el ancho de banda permitido es de 150 kHz. La desviación de frecuencia es un parámetro que depende de la amplitud de la señal de información y para evitar que se tenga una desviación de frecuencia mayor que la permitida hay que limitar la amplitud de la señal de información. En este caso, el nivel de la amplitud de la señal de información se controla mediante el volumen del reproductor de CD‘s. La medición del ancho de banda de este transmisor se muestra en la figura 7.36.

Figura 7.36 - Ancho de banda del transmisor de FM #1.

Mediante la medición realizada (figura 7.36), se observa que el ancho de banda

es de 139 kHz, y por lo tanto la desviación de frecuencia es de +/-69.5 kHz. Conociendo este valor y estableciendo que la frecuencia máxima de la señal de información es de 20 kHz, el índice de modulación de la señal de FM es: mFM =x ∆f x= 69.5 kHz = 3.475

fm max 20 kHz donde, mFM = índice de modulación de FM

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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∆f = desviación de frecuencia fm max = frecuencia máxima de la señal modulante

En la figura 7.37 se muestra el circuito transmisor de FM #1. En la sección

observada en amarillo se encuentra la entrada de audio, la cual proviene de un toca cintas o un reproductor de CD‘s. En la parte superior derecha se observa el oscilador en un cuadro rojo. Finalmente, al centro del circuito, marcado con verde se observa el modulador.

Figura 7.37 - Circuito impreso del transmisor de FM #1.

7.4 Transmisor de FM #2.

El diseño de este transmisor se basa en la topología de la figura 7.38 conocida como modulador de reactancia. Dicho circuito contiene un tanque formado por L1 y C1 y dependiendo de la posición de el tanque se pueden tener diferentes variaciones que funcionan bajo el mismo principio. En este caso tanto L1 como C1 son ajustables, lo que permite un rango de operación que abarca casi toda la banda de FM (93-108 MHz). L1 varía de 0.4 a 0.83 µH, mientras C1 varía de 3.5 a 10 pF. Las resistencias R1, R1 y RE tienen la finalidad de polarizar el transistor, y sus valores son 20 kΩ, 10 kΩ y 82 Ω.

El capacitor C2 funciona como switch a tierra cuando el transistor deja de

trabajar en el semiciclo negativo de la oscilación. El valor debe tener una reactancia lo suficientemente pequeña a la frecuencia de transmisión. Para el rango de FM, C2 es típicamente de 6.8 a 7.4 pF.

Parte importante de esta etapa es el transistor Q1 el cual es el encargado de

ejecutar la modulación. Para esta etapa se hicieron varias pruebas a partir de dos distintos transistores de National Semiconductors: el NTE278 y el NTE348. Ambos transistores son muy parecidos en cuanto a sus características, pero el NTE278 tiene una β mínima de 40, mientras que el NTE348 solo de 10. Otro detalle importante es que luego de cierto tiempo el transistor se calienta, lo cual provoca que la β aumente y el transmisor tenga más potencia.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.38 - Modulador de reactancia.

En muchos diseños encontrados en internet o revistas, antes de la etapa del

modulador colocan un amplificador de pequeña señal para la señal modulante. Sin embargo, algunos micrófonos (como los electret) ya incluyen dentro de su encapsulado un transistor JFET, el cual permite la amplificación de la señal proveniente del micrófono (Figura 7.39). El valor más comúnmente utilizado para polarizar el micrófono es de 1 kΩ, pero en vez de este valor se colocó un resistencia de 20 kΩ, lo cual permite una amplificación importante del sonido. Por su parte, el capacitor de acoplamiento tiene un valor típico de 0.1 a 1 µF.

Figura 7.39 - Circuito de polarización para el micrófono electret.

Finalmente, a la salida del modulador se coloca un amplificador clase C. Un

amplificador clase C tiene un rendimiento de un 70 a un 85% y aunque genera distorsión en la linealidad, en FM no importa pues la amplitud no es tan importante como lo es la frecuencia. La configuración propuesta es una amplificador de polarización fija con el transistor NTE311, el cual cuenta con una β típica de 200 y PD de 5W (Figura 7.40).

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.40 - Etapa de potencia clase C.

Ya que la alimentación es de 9V VCE debe encontrarse entre el 25 y 75% de

VCC. Si VCE vale el 75% de VCC, entonces VCE es igual 6.75 V. Con este dato y las curvas de caracterización del NTE311, β vale 50 e IC 12 mA. Así se calcula R1 y R2 que valen 34.58 kΩ y 187.5 kΩ, respectivamente, pero por redondeo quedan:

R1 = 33 kΩ. R2 = 180 Ω. La ganancia de esta etapa se calcula a partir de: Av = -RC = 180 = 83 re (26mV) (IE) De este modo, el circuito completo queda:

Figura 7.41 - Transmisor de FM #2.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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La gráfica de este transmisor en el espectro que va de 88 MHz a 108 MHz, se

muestra en la figura 7.42. Donde se observa que el analizador de espectros recibe una señal de -26.48 dBm (2 µW) a una distancia de 60 cm. de la antena.

Figura 7.42 - Pico de transmisión del transmisor de FM #2

dentro del rango de 88 a 108 MHz.

En la figura 7.43 se muestra la medición hecha con el analizador de espectros directamente en la antena. La potencia del transmisor es de -13 dBm o 48 µW.

El nivel de ruido medido en el rango de 88 a 108 MHz es de -73 dBm, y el nivel

de la señal transmitida es de -13dBm. Así, la relación señal a ruido es: S/N = (-13 dBm) - (-73 dBm) = 60 dBm = 30 dBm

En la figura 7.44 se muestra la medición del ancho de banda para este transmisor. Para este circuito el ancho de banda de la señal de FM es 654 kHz, por lo tanto, la desviación de frecuencia es de 327 kHz. Dicha desviación excede el valor permitido.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Figura 7.43 - Potencia de transmisión del transmisor de FM #2.

Figura 7.44 - Ancho de banda del transmisor de FM #2.

La desviación de frecuencia es controlada por la amplitud de la señal de

información. En el caso del transmisor de FM #1, la amplitud de la modulante se controla con el volumen del reproductor de CD‘s. Para poder controlar la amplitud de

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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la modulante en este circuito se cambia la resistencia R1 por un potenciómetro de 20 kΩ (ver figura 7.41). Conforme la resistencia del potenciómetro disminuye, se reduce la ganancia del micrófono electret y la desviación de frecuencia también se hace más pequeña. El resultado obtenido es que se puede controlar la desviación de frecuencia. En la figura 7.45 se observa la reducción de la desviación de frecuencia a +/- 170 kHz y del ancho de banda a 340 kHz.

Figura 7.45 - Ancho de banda de 340 kHz del transmisor de FM #2.

El consumo de potencia de este transmisor es de 207 mW pues demanda 23

mA de la fuente de 9 V. Su alcance máximo de transmisión es aproximadamente 20 m.

En la figura 7.46 se muestra este transmisor. La sección de polarización del

micrófono se encuentra marcad en amarillo. El modulador-oscilador está en verde. Finalmente, la etapa de potencia se observa dentro del cuadro rojo.

Figura 7.46 - Circuito impreso del transmisor de FM #2.

7.5 Tabla Comparativa de los Transmisores Presentados.

Capítulo 7. Pruebas y Resultados

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Tabla 7.1 - Tabla comparativa de los transmisores presentados. Tx. de AM #1 Tx. de AM #2 Tx. de FM #1 Tx. de FM #2

Alimentación 15 V 20 V 9 V 9 V

Origen de la información Micrófono Reproductor de

CD’s Reproductor de

CD’s Micrófono

Frecuencia de transmisión 1.11 MHz 1.08 MHz 88-108 MHz 93-108 MHz

Ancho de banda 7 kHz 40 kHz 139 kHz 654-340 kHz

Potencia de transmisión -13.1 dBm -10.6 dBm -4.0 dBm -13.1 dBm

Alcance 35 cm 50 cm 25 m 20 m

S/N 21.9 dB 34.3 dB 39 dB 30 dB

Consumo 334 mW 771 mW 522 mW 625 mW